安防監(jiān)控集成管理系統(tǒng)可用性仿真分析

蘆杉

（中國核電工程有限公司鄭州分公司）

安防監(jiān)控集成管理系統(tǒng)可用性仿真分析

蘆杉

（中國核電工程有限公司鄭州分公司）

論文分析現(xiàn)代安防監(jiān)控集成管理系統(tǒng)的基本功能與結(jié)構(gòu)組成，應(yīng)用可靠性框圖分析結(jié)合蒙特卡洛模擬仿真的方法進(jìn)行了安防監(jiān)控集成管理系統(tǒng)的可用性實(shí)例仿真分析，提出了提高系統(tǒng)可用性的措施建議。該方法能夠有效完成安防監(jiān)控集成管理系統(tǒng)的可用性及運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用的仿真分析研究，為系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)提供理論依據(jù)。

安防監(jiān)控集成管理系統(tǒng)；可用性；可靠性框圖；蒙特卡洛

1 引言

隨著現(xiàn)代安防新技術(shù)的快速發(fā)展，安防監(jiān)控系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)高度的智能化、集成化。安防監(jiān)控集成管理系統(tǒng)將分散的安防子系統(tǒng)進(jìn)行有機(jī)互聯(lián)與綜合，通過功能集成、數(shù)據(jù)庫集成、網(wǎng)絡(luò)集成以及軟件平臺(tái)集成等方式，提高系統(tǒng)整體集成化程度，增強(qiáng)綜合管理能力[1]。建立高可用性的安防監(jiān)控集成管理系統(tǒng)，對(duì)有效提升安防監(jiān)控系統(tǒng)整體可靠度、可用度，進(jìn)一步保障社會(huì)公共安全具有重要意義。

2 安防監(jiān)控集成管理系統(tǒng)功能組成分析

典型安防監(jiān)控集成管理系統(tǒng)由探測(cè)報(bào)警管理控制、門禁管理控制、視頻管理控制等子系統(tǒng)組成，基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1）報(bào)警管理控制由管理控制器、管理工作站及軟件等部分組成，完成周界及場所內(nèi)部探測(cè)報(bào)警信號(hào)的采集、分類分級(jí)分析、指示顯示、聯(lián)動(dòng)控制、記錄統(tǒng)計(jì)分析等功能；

圖1 安防監(jiān)控集成管理系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)組成

2）門禁管理控制由管理控制器、管理工作站及軟件等部分組成，用于實(shí)現(xiàn)人員、車輛進(jìn)出識(shí)別器信息的采集、顯示與分析處理及三叉門、電動(dòng)門等通道執(zhí)行機(jī)構(gòu)的自動(dòng)控制，以及控制規(guī)則設(shè)置、聯(lián)動(dòng)控制、訪客管理、在線巡更等功能；

3）視頻管理控制由矩陣管理系統(tǒng)、存儲(chǔ)管理系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)、管理工作站及軟件等部分組成，完成實(shí)時(shí)視頻圖像的切換控制與顯示，錄像存儲(chǔ)管理及調(diào)用，以及大屏幕拼接控制、系統(tǒng)管理設(shè)置等功能；

4）通信管理控制由有線、無線通信系統(tǒng)控制主機(jī)及管理軟件等組成，為安防監(jiān)控系統(tǒng)提供有效的語音通信保障；

5）供電管理控制由主備用電源及電源監(jiān)控系統(tǒng)等組成，為安防監(jiān)控系統(tǒng)提供可靠的電力供應(yīng)；

6）網(wǎng)絡(luò)管理控制由各層網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)管理軟件等組成，為整個(gè)系統(tǒng)提供暢通無阻的信息交互、傳輸通道及信息安全保障；

7）集成管理控制由管理服務(wù)器、管理工作站及集成平臺(tái)軟件等組成，用于解決各子系統(tǒng)之間的互聯(lián)互通問題，實(shí)現(xiàn)各子系統(tǒng)信息、事件的數(shù)據(jù)集成顯示與控制，形成具有信息交互、數(shù)據(jù)抽取、綜合分析、智能管理等功能的綜合應(yīng)用系統(tǒng)，為保安管理人員提供完整、明晰、簡潔的交互式操作平臺(tái)，協(xié)助保安管理人員便捷地控制、管理和維護(hù)整個(gè)安防監(jiān)控系統(tǒng)。

3 基于蒙特卡洛模擬的系統(tǒng)可用性仿真方法

3.1 基本原理

蒙特卡洛模擬法也稱隨機(jī)模擬法。它是用概率模型作為近似計(jì)算的一種數(shù)學(xué)模擬方法，以隨機(jī)抽樣法為手段，根據(jù)系統(tǒng)的可靠性功能框圖進(jìn)行可靠性預(yù)計(jì)[2]。蒙特卡洛計(jì)算機(jī)模擬仿真求解，即通過構(gòu)造隨機(jī)概率模型、各隨機(jī)變量基于均勻分布產(chǎn)生滿足相應(yīng)隨機(jī)模型的隨機(jī)數(shù)、設(shè)計(jì)選取適用的抽樣方法，對(duì)各隨機(jī)變量進(jìn)行抽樣、結(jié)合系統(tǒng)模型進(jìn)行仿真試驗(yàn)計(jì)算、統(tǒng)計(jì)分析模擬試驗(yàn)結(jié)果等步驟求解工程技術(shù)問題。

系統(tǒng)可靠性框圖模型是系統(tǒng)故障特征規(guī)律的數(shù)學(xué)描述，由代表系統(tǒng)中設(shè)備或功能的方框、邏輯關(guān)系和連線、節(jié)點(diǎn)組成，是預(yù)計(jì)或估算系統(tǒng)可靠性、可用性的基本輸入模型[3]。然而，當(dāng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成復(fù)雜、設(shè)備種類多數(shù)量大且設(shè)備壽命為非指數(shù)分布或任意分布時(shí)，常規(guī)的解析計(jì)算法難以解決可用性分析問題?；谙到y(tǒng)的可靠性框圖分析模型，應(yīng)用蒙特卡洛模擬仿真則能夠很好地完成系統(tǒng)的可用性分析工作?；诎卜辣O(jiān)控集成管理系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、設(shè)備種類多等特征，蒙特卡洛模擬仿真適用于該系統(tǒng)的可用性分析。在模擬仿真過程中，結(jié)合各種設(shè)備的故障模式特點(diǎn)，選擇適用的模擬抽樣方法，提高仿真速度及準(zhǔn)確性等。

3.2 基本過程

1）系統(tǒng)功能組成分析、故障定義及可靠性框圖建模

通過對(duì)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成、基本原理、功能層次、接口關(guān)系、時(shí)間過程等方面的深入分析，制定系統(tǒng)的功能框圖或功能流程圖等，明確系統(tǒng)的任務(wù)定義，給出系統(tǒng)故障的判別標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)而建立系統(tǒng)的可靠性框圖分析模型，采用方框圖的形式直觀地表示出系統(tǒng)中所有單元之間的相互依賴關(guān)系。

2）輸入?yún)?shù)確定

通過現(xiàn)場調(diào)研、資料查詢等方式獲得系統(tǒng)中各種設(shè)備的可靠性、維修性等相關(guān)輸入?yún)?shù)。

3）蒙特卡洛模擬仿真分析計(jì)算

優(yōu)選計(jì)算機(jī)數(shù)字仿真軟件，結(jié)合系統(tǒng)可靠性框圖模型及系統(tǒng)中各設(shè)備的故障模式特征，選用適用的模擬抽樣方法，輸入系統(tǒng)設(shè)備的可靠性、維修性參數(shù)及其他仿真參數(shù)，完成模擬仿真及結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析。

4 某安防監(jiān)控集成管理系統(tǒng)可用性仿真分析

4.1 系統(tǒng)組成

結(jié)合圖1所示的安防監(jiān)控集成管理系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)組成模式，某安防監(jiān)控集成管理系統(tǒng)組成如表1所示。該系統(tǒng)由報(bào)警及門禁管理控制、視頻管理控制、集成及網(wǎng)絡(luò)管理控制、供電及通信管理控制等4個(gè)子系統(tǒng)、32套設(shè)備組成。該系統(tǒng)在正常工作狀態(tài)下，集成管理顯示控制有效、數(shù)據(jù)有效實(shí)時(shí)傳輸交互、報(bào)警門禁系統(tǒng)信息顯示正?？刂朴行А⒁曨l系統(tǒng)切換控制及存儲(chǔ)正常、電源穩(wěn)定不間斷、通信暢通無阻；無法實(shí)現(xiàn)上述任一項(xiàng)功能則視為系統(tǒng)故障。

4.2 可靠性框圖建模

根據(jù)系統(tǒng)組成及功能、故障分析，應(yīng)用數(shù)學(xué)仿真平臺(tái)軟件建立安防監(jiān)控集成管理系統(tǒng)及各子系統(tǒng)的可靠性框圖分析模型。

1）建立總系統(tǒng)可靠性框圖

安防監(jiān)控集成管理總系統(tǒng)由4個(gè)子系統(tǒng)串聯(lián)組成，可靠性框圖如圖2所示。

圖2 安防監(jiān)控集成管理系統(tǒng)可靠性框圖模型

2）建立各子系統(tǒng)可靠性框圖

進(jìn)一步構(gòu)建各子系統(tǒng)可靠性框圖模型，具體如圖3、圖4、圖5、圖6所示。

圖3 報(bào)警及門禁管理控制子系統(tǒng)可靠性框圖模型

圖4 視頻管理控制子系統(tǒng)可靠性框圖模型

表1 某安防監(jiān)控集成管理系統(tǒng)組成

圖5 集成及網(wǎng)絡(luò)管理控制子系統(tǒng)可靠性框圖模型

4.3 輸入?yún)?shù)確定

結(jié)合該系統(tǒng)的具體設(shè)備選型，通過調(diào)研設(shè)備生產(chǎn)廠家以及用戶現(xiàn)場的應(yīng)用維護(hù)情況數(shù)據(jù)，獲取系統(tǒng)20種設(shè)備的可用性數(shù)據(jù)參數(shù)（含可靠性數(shù)據(jù)參數(shù)及維修性數(shù)據(jù)參數(shù)）?？煽啃詳?shù)據(jù)參數(shù)主要包括設(shè)備的可靠度、失效分布函數(shù)、平均故障間隔時(shí)間（MTBF）；維修性數(shù)據(jù)參數(shù)主要包括修復(fù)性維修時(shí)間、修復(fù)性維修人員及設(shè)備需求、計(jì)劃定期檢修時(shí)間、計(jì)劃定期檢修人員及設(shè)備需求、維修人員及設(shè)備費(fèi)用需求，以及各級(jí)備品備件的數(shù)量、費(fèi)用、延遲時(shí)間等參數(shù)。

部分設(shè)備的可用性數(shù)據(jù)參數(shù)如表2所示。

4.4 模擬仿真及結(jié)果分析

1）模擬仿真

按照用戶對(duì)該系統(tǒng)的運(yùn)行要求，設(shè)置系統(tǒng)仿真運(yùn)行壽命為15年（131 400h），系統(tǒng)仿真次數(shù)為500次，對(duì)系統(tǒng)壽命周期內(nèi)的可用性及運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用進(jìn)行仿真分析，結(jié)果如表3、表4所示。

2）結(jié)果分析

（1）可用性仿真結(jié)果分析

在系統(tǒng)運(yùn)行的15年間，安防監(jiān)控集成管理系統(tǒng)總停工43.95次、總停工時(shí)間794.6h，平均故障間隔時(shí)間為2990h（約125天、4.2個(gè)月）。視頻管理控制子系統(tǒng)的故障率最高，平均故障間隔時(shí)間為6361h，主要是由于該子系統(tǒng)組成設(shè)備種類較多且大屏幕顯示系統(tǒng)的故障率較高等原因?qū)е隆Ｔ诩杉熬W(wǎng)絡(luò)管理控制、供電及通信管理控制子系統(tǒng)中，集成服務(wù)器、集成工作站、核心交換機(jī)、供電電源、衛(wèi)星通信終端等重要設(shè)備均采取了冗余備份方式。衛(wèi)星通信終端選用了三取二并聯(lián)模式，供電電源更是選擇了三取一并聯(lián)模式，且網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、有線對(duì)講主終端等設(shè)備的可靠性較高，故該兩個(gè)子系統(tǒng)的故障率較低。

總系統(tǒng)故障的平均修復(fù)時(shí)間為18.08h（約0.8天）。其中，由于集成及網(wǎng)絡(luò)管理控制子系統(tǒng)故障所引起的修復(fù)時(shí)間最長，46.35h（約1.9天），主要是集成軟件、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)等設(shè)備的修復(fù)時(shí)間較長。由于報(bào)警控制器、門禁控制器及管理工作站等均設(shè)有備品備件，因此由于報(bào)警及門禁管理控制子系統(tǒng)故障所引起的修復(fù)時(shí)間最短，7.31h（約0.3天）。

圖6 供電及通信管理控制子系統(tǒng)可靠性框圖模型

（2）運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用仿真結(jié)果分析

在系統(tǒng)運(yùn)行的15年間，安防監(jiān)控集成管理總系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)總費(fèi)用為59.64萬元，其中，人員維護(hù)檢修費(fèi)用9.76萬元，占總費(fèi)用的16.4%；工具設(shè)備使用費(fèi)用3.07萬元，占總費(fèi)用的5.1%；備品備件的采購、儲(chǔ)存及維修費(fèi)用46.81萬元，占總費(fèi)用的78.5%。因此，在系統(tǒng)運(yùn)行期間，系統(tǒng)設(shè)備備品備件的采購、儲(chǔ)存、更換等的費(fèi)用是系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用的最重要組成部分。

5 提高安防監(jiān)控集成管理系統(tǒng)可用性的措施建議

1）優(yōu)選可靠性高、壽命時(shí)間長的硬件設(shè)備，如大屏幕顯示器、存儲(chǔ)陣列等；對(duì)重要設(shè)備采取必要的冗余熱備份措施，實(shí)現(xiàn)故障時(shí)自動(dòng)切換功能。

2）配置必要的、數(shù)量足夠的備品設(shè)備、備品零部件等，有效縮減系統(tǒng)或設(shè)備故障時(shí)的維修時(shí)間，降低故障期帶來的安全影響。

3）提高維護(hù)維修人員的技術(shù)水平，提升維護(hù)維修工作效率，從而降低系統(tǒng)或設(shè)備故障時(shí)的維修時(shí)間以及由此所帶來的人工及設(shè)備費(fèi)用。

6 結(jié)束語

本文通過深入分析安防監(jiān)控集成管理系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)組成，應(yīng)用可靠性框圖分析結(jié)合蒙特卡洛模擬仿真的方法，進(jìn)行安防監(jiān)控集成管理系統(tǒng)的可用性仿真分析，并完成了典型系統(tǒng)的仿真分析，提出了改進(jìn)措施建議。應(yīng)用該方法，能夠?qū)ο到y(tǒng)后期運(yùn)行期間的故障率、平均故障間隔時(shí)間、可用度等參數(shù)，以及系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)中的人工費(fèi)、設(shè)備使用費(fèi)、備品備件費(fèi)等參數(shù)進(jìn)行仿真分析，從而為系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)提供理論依據(jù)，進(jìn)一步提升安防監(jiān)控系統(tǒng)的整體可用度。

表4 某安防監(jiān)控集成管理系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用仿真結(jié)果

【1】紀(jì)勇.綜合安防集成管理平臺(tái)研究[J].鐵道通信信號(hào)，2012，48（3）：52-54.

【2】程五一，王貴，呂建國.系統(tǒng)可靠性理論[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010（3）.

【3】曾聲奎，趙廷弟，張建國，康銳，石君友.系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)分析教程[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2001（1）.

Analysis of the Usability Simulation for the Security Monitoring and Controlling System

LU Shan
（Zhengzhou Branch of China Nuclear Power Engineering Co., Ltd.）

The analysis the basic function and structure of the integrated management system of modern security monitoring, application reliability block diagram analysis combined with the Monte Carlo simulation method of integrated management system for security monitoring availability simulation analysis, put forward to improve system availability measures suggested. This method can effectively complete the security monitoring and management system of the availability and operation and maintenance costs of the simulation analysis of the research, provide a theoretical basis for the operation and maintenance of the system.

security monitoring and control integrated management system; availability; reliability block diagram; Monte Carlo

10.13655/j.cnki.ibci.2015.07.020